Учение о биосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

БИОСФЕРА

Понятие биосфера вошло в науку до некоторой степени случайно. Около ста лет назад, в 1875 году, австрийский геолог Эдуард Зюсс, говоря о различных оболочках земного шара, впервые употребил этот термин в последней главе своей небольшой книжке о происхождении Альп. Однако эта концепция не сыграла заметной роли в развитии научной мысли до тех пор, пока в 1926 году не были опубликованы две лекции русского минералога Владимира Ивановича Вернадского. Концепция биосферы, которую мы принимаем сейчас, в основном опирается на идеи Вернадского, развитые им спустя 50 лет после работ Зюсса. Сам Вернадский считал, что впервые к понятию биосферы подошел французский натуралист Жан Батист Ламарк, в чьих работах можно немало геохимических идей, пусть и архаично изложенных. (6)

Биосферой называется та часть земного шара, в пределах которой существует жизнь. Однако такое определение порождает ряд вопросов и требует уточнений. Пропуская через фильтр воздух, взятый на больших высотах, можно найти в нем споры бактерий и грибов. Но этот «аэропланктон», очевидно, не имеет активного метаболизма. Даже на поверхности Земли немало мест, слишком холодных, слишком жарких или слишком сухих, для того чтобы там могли существовать организмы с активным метаболизмом. Но и в таких местах всегда можно найти споры. Таким образом, оболочка Земли, называемая биосферой, имеет неправильную форму, т. к. она окружена некоей «парабиосферной» областью, в которой жизнь присутствует только в покоящемся состоянии. В настоящее время живой организм может, конечно, существовать далеко за пределами естественной биосферы, находясь в космическом корабле или скафандре. Такие искусственные местообитания можно рассматривать как участки биосферы, вырванные из нее и временно заброшенные в космос.

Что же характерно для биосферы как особой оболочки земного шара? Во-первых, это область, в которой имеется в значительных количествах жидкая вода. Во-вторых, на нее падает мощный поток энергии от Солнца. Наконец, в-третьих, в биосфере имеются поверхности раздела между веществами, находящимися в жидком, твердом и газообразном состояниях

УЧЕНИЕ В. И. ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ

Одним из выдающихся естествоиспытателей, который посвятил себя изучению процессов, протекающих в биосфере, был академик В. И. Вернадский. Он стал основоположником научного направления, названного им биогеохимией, которое легло в основу современного учения о биосфере.

До появления работ В. И. Вернадского роль живых организмов на Земле представлялась ученым очень скромной. Действительно, казалось бы, какое может быть сравнение последствий их жизнедеятельности с мощью внутренних сил планеты, вздымающих высочайшие горы, разверзающих океанские пучины, перемещающих целые континенты. (8)

В. И. Вернадский доказал, что, как бы слаб ни был каждый организм в отдельности, все они, вместе взятые, на протяжении длительного отрезка времени выступают как мощный геологический фактор, играющий существенную роль в жизни нашей планеты. Геологическая деятельность живых организмов проявляется как следствие следующих их особенностей: они теснейшим образом связаны с окружающей средой и взаимодействуют с ней в процессе обмена веществом и энергией; обмен веществ организмов со средой осуществляется в процессе биологического круговорота; суммарный эффект результатов деятельности организмов проявляется на протяжении очень длительных (сотен миллионов лет) отрезков времени. Таким образом, приоритет в разработке теоретических основ учения о биосфере принадлежит советским ученым.

По определениям ученых, возраст Земли равен приблизительно 5 млрд. лет. Наиболее древние следы живых организмов найдены в Южной Африке (Восточный Трансвааль), в толще горных пород, возраст которых равен 3,2 млрд. лет. Эти организмы напоминали современных нитчатых бактерий. Ученые даже дали им название - эобактериум изолятум. Таким образом, можно считать, что биосфера Земли возникла около трех миллиардов лет назад. (7)

Наземные организмы появились около 400 млн. лет назад. Это были первые примитивные растения. С появлением на суше живых организмов и возникновением растений начинается важнейший этап в истории развития биосферы. С этого периода началось их быстрое распространение по планете, и в настоящее время Землю населяет огромное количество разнообразнейших растительных и животных организмов (см. табл.).

В 19 веке в России постепенно складывалось представление о единстве человека и природы, о тех проблемах, с которыми неизбежно столкнется человечество при необузданном стремлении всецело подчинить себе природу. Вообще идея цельного знания, основанного на органической полноте жизни, принадлежит русской философии. Она легла в основу направления общественной жизни, получившего название «русский космизм». Именно тогда в научной среде засверкали имена психолога и физиолога И. М. Сеченова, химика Д. И. Менделеева, почвоведа В. В. Докучаева, основоположника космонавтики К. Э. Циолковского. К плеяде этих выдающихся ученых принадлежит и В. И. Вернадский. (13)

В 1926 году опубликовал в Ленинграде книгу под названием «Биосфера», которая ознаменовала рождение новой науки о природе, о взаимосвязи с ней человека. В этой работе биосфера впервые показана как единая динамическая система, населенная и управляемая жизнью, живым веществом планеты. «Биосфера - организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью». В работах по биосфере ученый показал, что взаимодействие живого вещества с веществом косным есть часть большого механизма земной коры, благодаря которому происходят разнообразные геохимические и биогенные процессы, миграции атомов, осуществляется их участие в геологических и биологических циклах.

В. И. Вернадский впервые показал, что химическое состояние наружной коры нашей планеты всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами, с деятельностью которых связан великий планетарный процесс - миграция химических элементов в биосфере. Эволюция видов, отмечал ученый, приводящая к созданию форм жизни, устойчива в биосфер и должна идти в направлении увеличения биогенной миграции атомов.

Биосфера представляет собой сложнейшую планетарную оболочку жизни, населенную организмами, составляющими в совокупности живое вещество. Это самая крупная (глобальная) экосистема Земли - область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. Совокупная деятельность живых организмов в биосфере проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба.

Биосфера по вертикали разделяется на две четко обособленные области: верхнюю, освещенную светом, - фотобиосферу, в которой происходит фотосинтез, и нижнюю, «темную», - меланобиосферу, в которой фотосинтез невозможен. На суше граница между ними проходит по поверхности Земли. (14)

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км), верхнюю часть литосферы (кора выветривания) и всю гидросферу до глубинных слоев океана. В. И. Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни». На развитие жизни, а, следовательно, и границы биосферы оказывают влияние многие факторы и прежде всего наличие кислорода, углекислого газа, воды в ее жидкой фазе. Ограничивают область распространения жизни и слишком высокие или низкие температуры. Элементы минерального питания также влияют на развитие жизни. К ограничивающему фактору можно отнести и сверхсоленую среду (превышение концентрации солей в морской воде примерно в 10 раз). Лишены жизни подземные воды с концентрацией солей свыше 270 г/л.

В планетарной биосфере выделяют континентальную и океаническую биосферы, которые отличаются геологическими, географическими, биологическими, физическими и другими условиями. Нижний предел распространения живого ограничивается дном океана (глубина около 11 км) или изотермой в 100 град. C в литосфере (по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове эта цифра составляет около 6 км). Фактически жизнь в литосфере прослеживается до глубины 3-4 км. Таким образом, вертикальная мощность океанической биосферы составляет 17 км, сухопутной до 12 км. Вверх, в атмосферу, биосфера простирается не выше наибольших плотностей озонового экрана, что составляет 22-24 км. Следовательно, предел протяженности биосферы на Земле выражается цифрой 33-35км, хотя теоретически он может быть более широким. (1)

На основе работ В. И. Вернадского и других исследователей, внесших большой вклад в изучение биосферы планеты, предлагается различать три основные ее формы:

формы биологической систематики, включающие популяции, виды, роды, семейства и др., принятые в ботанике и зоологии;

2. биогеографические формы - территории, характеризующие географическое распространение и распределение растений и животных, специфику флоры и фауны. Это биогеографические зоны, области и т.д. Отдельно выделяются ботанико-географические и зоогеографические территории, дающие представление о составе и характере флоры и фауны;

3. экологические формы, известные под названием экосистем (биогеоценозов), экотопов, биотопов и др. Напомним, что биотоп - это участок с однородными экологическими условиями, занятый определенными биоценозами, экотоп - это место обитания сообщества. В отличие от биотопа, понятие «экотоп» включает внешние по отношению к сообществу факторы среды. Это совокупность абиотических условий неорганической среды данного участка, представляющего собой местообитание конкретного сообщества. Экологические формы определяют специфику изучения биосферы в экологических аспектах. (9)

Вещественный состав биосферы также разнообразен. В. И. Вернадский включает в него семь глубоко разнородных, но геологически не случайных частей:

живое вещество;

биогенное вещество - рождаемое и перерабатываемое живыми организмами (горючие ископаемые, известняки и т. д.);

косное вещество, образуемое без участия живых организмов (твердое, жидкое и газообразное);

биокосное вещество - косное вещество, преобразованное живыми организмами (вода, почва, кора выветривания, илы);

вещество радиоактивного распада (элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда);

рассеянные атомы земного вещества и космических излучений;

вещество космического происхождения в форме метеоритов, космической пыли и др. (2)

В строении и морфологии биосферы исключительно важное значение для развития живого вещества имеют следующие ее элементы (сверху вниз):

слой живого вещества, так называемая «пленка жизни»;

педосфера, или почвенный покров;

ландшафтно-экологические системы - функциональные системы, включающие живые организмы и среду их обитания;

кора выветривания, т. е. зона разрушения и преобразования горных пород, их минерально-геохимических изменений в верхней части земной коры под воздействием различных факторов;

древняя биосфера (палеобиосфера) - комплекс горных пород, рельефа и других ландшафтных компонентов, залегающих ниже современной биосферы и погребенных под ее новейшими образованиями. Это горные породы, рудные и нерудные минералы, химические элементы, широко используемые в промышленности;

многочисленные минералы верхней части земной коры и биосферы: глины, известняки, бокситы и т. д.;

природные воды осадочной оболочки;

миллионы органических и органоминеральных соединений: уголь, графит, гумусовые вещества, нефть, природные газы;

минеральные ресурсы биосферы и земной коры, распространенные в форме свободных элементов: меди, серебра, золота, висмута, платины и т. д. Все они - главный источник сырья для металлургии, химической промышленности и многих других отраслей. Их добыча и использование в экономике растут год от года.

Из сказанного вытекает, что биосфера является результатом сложнейшего механизма геологического и биологического развития косного и биогенного вещества . С одной стороны , это среда жизни , а с другой - результат жизнедеятельности . Главная специфика современной биосферы - это четко направленные потоки энергии и биогенный ( связанный с деятельностью живых существ ) круговорот веществ . (10)

Разрабатывая учение о биосфере , В.И. Вернадский пришел к выводу , что главным трансформатором космической энергии является зеленое вещество растений . Только они способны поглощать энергию солнечного излучения и синтезировать первичные органические соединения . Для объяснения большой суммарной энергии биосферы ученый произвел расчеты , которые действительно показали огромное значение фотосинтезирующих растений в создании общей органической массы . Ученый подсчитал , что поверхность Земли составляет меньше одной десятитысячной поверхности Солнца. Общая же площадь трансформационного аппарата зеленых растений зависимости от времени года составляет уже от 0,86 до 4,2% площади поверхности Солнца . Разница колоссальная . Этот зеленый энергетический потенциал и лежит в основе сохранения и поддержания всего живого на нашей планете .

В.И. Вернадский так же, как и Ламарк 140 лет назад попытался дать главные исчерпывающие признаки каждого царства живого. И чем больше он вникал в проблему, тем более ясно становилось , что вырисовывается новый разрез мира . В.И. Вернадский составил таблицу из 16-ти пунктов , где рассмотрел несходство живого и неживого в физическом , химическом и термодинамическом смысле .

Анализ таблицы показывал, что в природе нет никаких переходов от неживого к живому : они настолько противоречивы , что живое ни при каких условиях не может происходить от живого . Организм и косную материю разделяет непроходимая стена . Принцип итальянского естествоиспытателя и врача Франческо Реди , гласящий , что живое происходит только от живого , между живым и неживым веществом проходит резкая граница , хотя и имеется постоянное взаимодействие , - получил свое подтверждение .

Строение биосферы

Биосфера -- греческое слово (bios -- жизнь, sphaira -- шар). Этот термин все чаще встречается в научной литературе. В биологию это понятие введено Ж. Ламарком, который понимал его как сферический организм, а в геологию Э. Зюссом, который использовал его в процессе обобщения исследований о строении и развитии земной коры. Ими не была раскрыта сущность биосферы.

Основоположником учения о биосфере в нашей стране является В.И. Вернадский. Он рассматривал биосферу как геологическое тело, строение и функции которого определяются особенностями Земли и Космоса; как активную оболочку Земли, в которой совокупная активная деятельность живых организмов проявляется через геохимический фактор планетарного масштаба.Биосфера возникла под влиянием солнечной энергии в результате длительных биохимических процессов. Это оболочка Земли, которая является как областью распространения живого вещества, так и самим этим веществом. В состав биосферы входят: нижняя часть атмосферы, состоящая из тропосферы и нижней части стратосферы, высотой до 15-20 км, гидросфера, где обнаруживается жизнь ниже глубины Мирового океана на 1--2 км, и литосфера -- верхняя часть оболочки Земли глубиной до 4,5 км.На этой глубине в нефтеносных водах найдены микроорганизмы. Верхней границей служит озоновый экран, предохраняющий живые организмы на Земле от негативного влияния ультрафиолетовых лучей. К биосфере относится и человек. Таким образом, биосфера представляет собой грандиозную равновесную систему с непрерывным круговоротом вещества и энергии, в котором активную роль играют микроорганизмы. Для биосферы характерно присутствие живого вещества, восприятие мощного потока солнечных лучей, наличие огромного количества воды, наличие поверхностей раздела Строение биосферы между веществами, находящимися в твердой, жидкой и га- зообразной фазах. Космос определяет развитие биосферы, поскольку имен но из Космоса Земля получает энергию. Главенствующим источником энергии является Солнце. Эта энергия расход дуется на физические и химические процессы, происходя- щие в атмосфере, гидросфере, литосфере, на перемещения воздушных масс, испарение воды, растворение веществ, вы деление и поглощение газов. Накопителями энергии являются органические вещества. Общее количество солнечной энергии, поступающей в атмосферу, составляет в среднем 700 Ккал/см2 в сутки, а около 55 Ккал/см2 в год достигает поверхности Земли и используется организмами. Биосферу разделяют на живую и неживую природе Изучением взаимоотношений живых организмов с окружающей средой занимается экология, название которой при надлежит немецкому биологу Э. Геккелю. Экологические системы взаимодействия живой и нежа вой природы называются биогеоценозами. Компонента биоценоза являются растения, животные и микробы. Например, в экосистему леса входят деревья, кустарники, травы, лишайники, грибы, животные, микроорганизмы, обитатели почв, газы атмосферы и водорастворимые соли.

Весь запас свободного кислорода создается растениями в процессе фотосинтеза, который необходим для жизни на планете. Ежегодно растительный покров Земли выделяет около 115 млрд т кислорода. Используя вредную для животных углекислоту, зеленый покров создает органическое вещество, которое служит пищей для живых организмов. В планетарной экосистеме (биосфере) круговорот веществ проявляется в полной мере, и если бы не было замкнутого потока веществ, запасы их были бы исчерпаны и жизнь прекратилась. Органические вещества на планете образуются двумя путями: использованием радиационной энергии (фотосинтез) и жидкой энергии (хемосинтез).Основное количество органического вещества образуется при фотосинтезе. Коэффициент полезного действия (КПД) фотосинтеза очень низок и составляет не более 0,3 % солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли. Этим объясняется малая концентрация углекислого газа в атмосфере и гидросфере. Наиболее характерен в биосфере круговорот углерода. Основной путь углерода -- от углекислого газа в живое вещество и обратно. Часть углерода откладывается в осадочных породах океана или в ископаемых горючих веществах (нефть, горючие сланцы, торф, каменный уголь). Он принимает участие в медленном геологическом круговороте.Обмен углекислым газом происходит между атмосферой и океаном. В гидросфере содержится около 13-Ю13 т растворенного углекислого газа, а в атмосфере в 60 раз меньше. Газовый баланс атмосферы, характеризуется небольшим количеством углерода, участвующего в малом круговороте. Круговорот азота в биосфере играет важную роль. Фиксация его в химических соединениях происходит при грозовых разрядах в атмосфере, сгорании материалов и вулканической деятельности. Определенная роль в фиксации азота принадлежит микроорганизмам. Нитраты и нитриты, в растворах поступающие в организмы растений, участвуют в образовании аминокислот, белков. Часть соединений азота выносится в подземные воды, реки и моря.

Биосфера. Функции

Основные функции биосферы Земли следующие:

1. Связывание диоксида углерода, выделяемого живыми организмами и образующегося в ходе различных превращений в неживой природе (например, сжигание топлива), и выделение кислорода в ходе фотосинтеза наземными и водными растениями. Так, зеленая масса насаждений на площади 1 га производит до 70 т кислорода за вегетационный период.

В результате процесса фотосинтеза солнечный свет образуются углеводы, которые являются исходным материалом для формирования растений. Таким образом, фотосинтез является первичным источником всей биомассы планеты, в том числе органических ископаемых.

2. Аккумуляция и трансформация солнечной энергии.

Наземная и водная растительность планеты аккумулирует в течение 1 года 31021 калорий энергии Солнца. Это примерно в 100 раз больше вырабатываемой во всем мире энергии. При этом связывается 35 млрд тонн углерода, фиксируется, т. е. превращается в усвояемое состояние 44 млрд тонн азота; выделяется несколько десятков млрд. тонн кислорода и производится другая химическая работа, обусловливающая современное состояние природы Земли. По данным профессора Лаптева И.П. (1975 г.), общая биомасса в биосфере составляет 3-Ю"2--3-Ю13 тонн. Ежегодно производится около 1,64-10п тонн сухого органического вещества.

3. Обеспечение веществами и энергией животных и человека. Трава, деревья, водоросли и другие формы растительной жизни продуцируют пищу из воды и диоксида углерода, содержащегося в тропосфере. Биосфера всегда была и остается жизненной средой обитания человека. Ее основные компоненты -- климат, почвы, вода, минеральные вещества, растительный покров, животные -- стали теми ресурсами, которые он использует для своей жизнедеятельности.

ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ КАК, СМЕНА ТИПОВ ПЛАНЕТАРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ

Можно ли выделить простые универсальные механизмы, определяющие эволюционное развитие биосферы на протяжении 3.6 млрд. лет? До сих пор не было попыток простыми, подобными физическим, процессами объяснить принципиальное различие характера организации и эволюции биосферы до венда ( 650 млн. лет назад) и в течение последующих периодов фанерозоя.

Такие механизмы предлагаются в нашей гипотезе скачкообразного перехода от господства жестко структурированных замкнутых систем матообразующих цианобактериальных сообществ до фанерозоя с автоволновым пространственным поведением к стохастическим многоуровневым сложным биологическим системам начиная с фанерозоя. Две принципиально различные стратегии биологических систем присущи этим двум этапам развития биосферы.

Первый этап организации биосферы: господство бактериальных сообществ

Господство цианобактериальных сообществ на протяжении 3 млрд. лет сменилось взрывом таксономического биоразнообразия начиная с ордовика. До фанерозоя уединеные популяционные волны со свойствами солитонов поддерживали однообразие доминирования цианобактериальных сообществ в составе придонных и наземных матов. Распростанение бактериальных сообществ происходило как автоволна, имеющая определенную форму и скорость.

цианобактерия биосфера популяция фанерозойский взрыв

Автоволновые процессы в современных и вымерших популяциях организмов

Нелинейные уединенные популяционные волны, имеющие определенную форму и скорость чрезвычайно редко проявляются в популяциях современных организмов. Но они сохраняются как реликтовые процессы в жизненных циклах некоторых архаических организмов - бактерий, амеб, миксомицетов. В специальных полевых экспериментах, проанализированных с помощью имитационной и аналитической моделей показано, что уединенные популяционные волны насекомых - фитофагов подобно автоволне горения способны уничтожать на своем пути питательный ресурс на 100% ! При этом важно подчеркнуть, что подобное аномальное поведение насекомых никогда не проявляется в природных сообществах первичного ареала фитофага. Феномен возникновения такой необычной популяционной волны возникает только при интродукции специализированного фитофага в нарушенный заносным сорным растением ценоз. Подобные сорняки -турбаторы блокируют естественный ход сукцессионных процессов и резко упрощают структуру ценоза, тем самым способствуя проявлению необычной “реликтовой” автоволны. Уединенная популяционная волна (УПВ) насекомых, которая подобно волне горения полностью уничтожает на своем пути кормовое растение, может служить моделью распространения цианобактериальных сообществ и характера их взаимоотношения с другими организмами. Так, разными авторами предполагается, что водная среда вокруг дофанерозойских матов была токсичной для любых других форм жизни . Маты, расположенные на невысоких пенепленах протоплатформ контролировали состав гидросферы. Играя роль фильтров в палеобассейнах, они препятствовали накоплению как неорганических, так и органических компонентов, т.е. задерживали эволюционное развитие других организмов, полностью используя биогенные элементы . Так, например, появление эукариот относят уже ко времени ок. 2 млрд. лет, но взрыв их таксономического разнообразия задержался почти на 1.5 млрд. лет и впервые отмечен в венде (650 млн. лет назад). Только резкие климатические изменения (самые продолжительные позднепротерозойские "ледниковые периоды"), гренвильский тектогенез и появление холодноводности привели к разрушению цианобактериальных сообществ и способствовали развитию в венде новых форм жизни. Но даже эдиакарская фауна, этот первый взрыв биоразнообразия, оказалась все же своеобразным тупиком в эволюции биосферы.

Только после продолжительного (25 млн. лет) оледенения Пангеи в ордовике начался скачкообразный переход к прогрессирующему таксономическому биоразнообразию.

На самом длительном этапе существования биосферы литифицированные поверхности матов с плотным покровом хлорофилла создавали своеобразную пленку на поверхности кратонов. Периодическая гибель матообразующих сообществ в течение активизации магматических процессов и восстановление их жизнедеятельности происходило в ничтожно малые сроки генезиса континентальных платформ, что следует из математической модели УПВ.

Очень существенны следующие два обстоятельства. Во-первых, достоверно определяемые цианобактерии нижнего протерозоя почти не отличимы от современных форм. Таким образом, эволюционный процесс как бы исключается в жестко структурированных системах матов на протяжении по меньшей мере, 2 млрд. лет!

Во - вторых, локальное доминирование цианобактериальных матов периодически возвращалось в периоды крупнейших биосферных кризисов в течение фанерозоя. Эти кризисы в значительной степени связаны с воздействием внешних космических факторов, связанных с особенностью движения солнечной системы в течение галактического цикла (217 млн. лет).

Дискуссионные вопросы происхождения цианобактерий

Обнаружение структур, напоминающих цианобактерии в метеорите с Марса и в углистых хондритах, разумеется, не могут служить строгим доказательством того, что это следы бактерий. В то же время, возрастающий прогресс в исследовании архейских форм строматолитов позволяет предположить, что цианобактериальные сообщества появились раньше, чем датируются находки земных фоссилий. Углистые хондриты с возможными следами жизни древнее всех известных на Земле пород - 4.5 -4.6 млрд. лет. Один из двух исследованных образцов хондритов с предполагаемыми следами бактерий - из Ефремовки (Республика Казахстан). Авторы палеореконструкции находят сходство структур в этом образце с земными нитчатыми цианобактериями из родов Oscillatoria и Microcoleus.

Если находки в будущем подтвердятся, то можно представить, что сообщества были занесены с хондритами из космоса, а не зародились на Земле. На современном уровне невозможно обнаружить в фоссилиях следы начальных этапов формирования жизни на Земле. По-видимому, только дальнейшие исследования марсианских пород смогут подтвердить или опровергнуть гипотезу распространения цианобактерий в Солнечной системе. Тем более, что существуют доказательства, что первоначально три планеты земной группы (Венера, Марс, Земля) были во многом похожими, обладали близким минеральным составом и сходным составом атмосфер; при этом палеоклимат Марса был достаточно теплым для наличия жидкой воды .

Фанерозойский взрыв таксономического биоразнообразия

Тенденция использования простых моделей, заимствованных из физики для описания эволюционных процессов, стало особенно заметной тенденцией в последние годы. Этому способствовало бурное развитие синергетики и прогресс в анализе сложной динамики открытых нелинейных систем.

Первые попытки универсального взгляда на эволюцию биосферы, как на самоорганизующуюся систему представлены в работах физиков П.Бака и К. Снеппена, использующих понятие “самоорганизующейся критичности”. Сходную концепцию развивает Стюарт Кауффман, согласно которому биологические системы существуют в динамически устойчивом состоянии на границе между хаотическим режимом и жестко упорядоченным статическим состоянием. Состояние “на краю хаоса”, в которое система спонтанно переходит в процессе эволюции (“самоорганизующаяся критичность”) характеризуется типичными синергетическими свойствами - согласованностью локальных и глобальных процессов, интенсивным согласованным взаимодействием компонент и др. Более того, на моделях показано, что в таком состоянии система обладает наибольшей лабильностью и способностью к эволюционным изменениям (evolvability).

Иссследуя свою модель, П.Бак и К.Снеппен показали, что статистическая вероятность флуктуаций в системе, пребывающей в состоянии самоорганизующейся критичности, и амплитуда флуктуаций подчиняются простому убывающему степенному закону, как интенсивность лавин в куче песка.

Модель П.Бака и К.Снеппена вписалась в концепцию “прерывистого равновесия” Голда и Элдриджа На конкретном палеонтологическом материале, показано что эволюция биоты происходит в виде чередования длительных квазиупорядоченных состояний и более кратких лавинообразных процессов разрушения по указанному степенному закону. Кризисы сопровождаются массовыми вымираниями видов и целых таксонов. В последующие периоды биоразнообразие восстанавливается. Однако данная физикалистская модель хорошо описывает статистику кризисных явлений в биосфере только начиная с фанерозоя.

Узость концепции прерывистого равновесия, равно как и физикалистских моделей реализующих ее заключаются в том, что они базируются на статистике кризисных явлений после кембрия. Например, С. Кауффман приравнивает фанерозойский взрыв к одному из них. Но это в корне неверно, как показано нами выше.

Наш основной тезис заключается в констатации фундаментального изменения всей организации биосферы в начальный период фанерозоя. Фактически, следует говорить о существовании совершенно различных типов организации биосферы в различные этапы ее развития. Каждый этап имеет свои особые механизмы эволюции и системные характеристики. Так как до кембрия и после него биосфера и вся планетарная система в корне различались по своей организации, то распространять закономерности фанерозоя на докембрийский этап нельзя в принципе. Поэтому модель самоорганизущейся критичности - это всего лишь инвариант качественной динамики систем фанерозоя, но не модель развития и изменения биосферы за весь период ее существования.

Суть нашей концепции заключается в том, что каждая устойчивая организация биосферы обладает консервативностью и имеет собственные механизмы самосохранения. Царившие до фанерозоя цианобактериальные сообщества реализовывали механизмы самосохранения, используя стратегию уединенных популяционных волн, то есть имитируя физические свойства распространяющейся волны пожара, уничтожающей все на своем пути. Хотя подобная стратегия оказалась эффективной и устойчивой на протяжении 3 млрд. лет, изменение климата, произошедшего не без участия самих матообразующих сообществ, в конце концов разрушило империю цианобактерий и открыла дорогу совершенно новой многоуровневой организации биосферы в фанерозое. Мощным импульсом и движущей силой формирования многоуровневых систем явился симбиогенез, резко усложнивший функции организмов и способствовавший возникновению сложных кооперативных явлений в надорганизменных системах. Начинает раскручиваться спираль кооперативных процессов сложных жизненных циклов и своего рода “гиперциклов” реализущихся в сукцессионных системах [2,15]. Свойства самосохранения этих новых систем связаны не только с ростом таксономического биоразнообразия, но и потенцальной эволюционной способности (evolvability) т.е способности быстро перестраивать свою структуру и порождать новые виды. При этом основные организационные принципы биосферы остаются неизменными вплоть до следующего резкого изменения ее глобальной организации.

Последний этап эволюции биосферы: деградация экосистем, разрушение сообществ и сукцессионных систем

Наконец, третий этап эволюции биосферы тесно связан с разрушительной деятельностью человека, опустыниванием и загрязнением среды. Фактически появление человека знаменует новый этап эволюции биосферы.

Весьма существенно, что обнаруживается удивительная связь эволюции человека с физическими параметрами среды: анцестральный ареал и центр наибольшего видового разнообразия сем. Hominidae в Северо-Восточной Африке представляет собой территорию с максимумом суммарной солнечной радиации на Земле - 220 ккал/см.2 * год. Такие величины, хотя и несколько меньше этого максимума, свойственны только пустынным областям континентов. Но именно с подобными распределениями наибольших значений величин суммарной солнечной радиации связано происхождение основных центров земледелия, скотоводства и ранних цивилизаций ( Сев.-Вост. Африка и Передняя Азия, Китай, Центральная и Южная Америка).

Новые находки при реконструкции палеоэкосистем, формировавших эволюцию непосредственных предков человека - австралопитеков сем. Australopithecidae и семейства людей позволяют предполагать, что сопутствующая этому процессу биота (растения и животные) представляла своеобразный экотон в Восточной Африке в конце миоцена (мессинии). Эта биота - туранская аридная экосистема -мигрировала из Азии в Восточную Африку до юго-запада континента с миоценовым антропоидным приматом Sivapithecus parvada. Устойчивые галофильные рипарийные сообщества были достаточно изолированы в африканской биоте. Вот почему эволюция австралопитеков и людей протекала как эволюция ценофобов. Миграция первых людей из Африки в Азию (Homo erectus) имела катастрофический характер для экосистем вследствие того, что впервые в истории Земли эти новые организмы стали использовать огонь. Наконец, Homo sapiens разрушает биосферу не только истреблением лесов и созданием “агроценозов”, кислотными дождями, пестицидами и пр., но и расселением “сорной” флоры растений, “блокирущих” природные циклы сукцессионных процессов. Например, сорняк- солянка Salsola tragus ( Chenopodiaceae) расселен из Азии всесветно вплоть до Гренландии и Австралии.

Масштабы воздействия человеческого общества на биосферу за последние 150 лет сопоставимы с глобальнами экологическими кризисами.

УЧЕНИЕ О НООСФЕРЕ

Идея о Ноосфере -- “Сфере Разума”, закономерно возникающей как высшая стадия эволюции Биосферы, ассоциируется в первую очередь с именем великого русского учёного В. И. Вернадского. Он является общепризнанным создателем учения о Биосфере , которое во второй половине ХХ века обрело статус научной теории и завоевало общее признание мировой науки. С учением о Ноосфере дело обстоит сложнее. Идеи Вернадского о ноосфере разбросаны по многим его сочинениям, но законченного труда, в котором представления о ноосфере были бы изложены с такой же полнотой, как о биосфере, нет. Поэтому существует несколько пониманий термина “ноосфера” и его содержания, и формирование научных основ Ноосферы ещё далеко не закончено. Ноосферология - это новая наука, возникающая в наши дни, которая может (а по убеждению многих, и должна) стать основой нового мировоззрения, способного определить место и роль человечества во Вселенной и направление его эволюции.

О космической роли человечества В. И. Вернадский стал размышлять еще в конце 80-х годов XIX века. Изучение закономерностей процессов перемещения химических элементов в геологических оболочках - литосфере, гидросфере и атмосфере - привело его к созданию новой науки - “геохимии”. В 1923 году, читая лекции по геохимии в Сорбонне, Вернадский впервые обосновал идею о том, что человечество стало самостоятельной геологической силой, влияние которой на перемещение элементов в геологических оболочках земли огромно. Лекции Вернадского были изданы в Париже в 1924 году и привлекли внимание двух замечательных французских мыслителей. Ими были математик и философ Эдуарда Ле Руа ( 1870-1954) и его друг , палеонтолог , профессор кафедры геологии Католического университета в Париже , член ордена иезуитов Мари Жозеф Пьер Тейяр де Шарден (1881 - 1955). Оба учёных были увлечены идеями А. Бергсона о “творческой эволюции”, популярными в начале ХХ века. . В 1928 Э. Ле Руа в книге “Происхождение человечества и эволюция разума”, писал: “ Начиная с человека , эволюция осуществляется новыми , чисто психическими средствами : через промышленность , общество , язык , интеллект и т . д .. , и таким образом биосфера переходит в ноосферу ”. Здесь впервые был предложен термин “ноосфера”. Он широко используется в главной работе Тейяра “ Феномен человека ” В . И . Вернадский , с присущей ему скромностью , писал позже : “ Я принимаю идею Леруа о ноосфере . Он развил глубже мою биосферу ”.

Наряду с термином “ноосфера” для обозначения всей совокупности процессов, связанных с разумной деятельностью человека на планете, предлагались также термины “Интеллектосфера” (А. Гумбольдт), “Техносфера” (А. И. Ферсман), “Пневматосфера” (П. В. Флоренский), “Семиосфера” (Ю. М. Лотман). Однако именно термин “ноосфера” оказался наиболее содержательным и перспективным.

Существует ли ноосфера, как объективное явление, или же это некая абстрактная игра ума? Отвечая на этот вопрос, сразу же надо разъяснить часто встречающееся недоразумение, связанное с тем, что в термин “ноосфера” разные авторы вкладывают различный смысл.

Во-первых, ноосферу можно определить, аналогично биосфере как географическую оболочку земного шара, в которой основную роль играют превращения вещества, энергии и информации, связанные с деятельностью “человека разумного”. В этом смысле ноосфера появилась одновременно с возникновением вида Homo sapiens и является предметом изучения в первую очередь естественных наук. Второй смысл, обычно ассоциируемый с термином “ноосфера” , связан с пониманием ноосферы как проекта, идеала, такой организации деятельности человека на планете, которая была бы в полном смысле слова разумной, обеспечивала оптимальную “коэволюцию” (Н. Н. Моисеев) биосферы и человечества, опирающуюся на гармоничное сосуществование различных культур и народов, “цветущее многообразие” (К. Н. Леонтьев) которое не менее важно для устойчивости ноосферы, чем разнообразие видов для биосферы. В этом смысле ноосфера находится в стадии становления, преодолевая в процессе своего формирования огромные трудности, возникая “в грозе и буре”. Кроме этого, в массовом сознании существует некое эзотерическое представление о ноосфере как “ментальном поле”, в котором вокруг Земли летают мысли всех людей - эти представления связаны с примитивно-мифологическим типом бытового сознания и к научному пониманию ноосферы имеют очень отдалённое отношение.

Ф. Т. Яншина, глубокий исследователь трудов В. И. Вернадского, выявила в его трудах ряд положений, характеризующих условия ноосферной организации процессов на Земле :

Заселение человеком всей планеты.

Резкое преобразование средств связи и обмена информацией.

Усиление связей, в том числе политических, между странами Земли.

Начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере.

Расширение границ биосферы и выход в космос.

Открытие новых источников энергии.

Равенство людей всех рас и религий.

Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики.

Свобода научной мысли и научного поиска от давления религиозных, философских и политических построений.

Эффективная система народного образования и жизнеобеспечения. Ликвидация возможности недоедания, голода и нищеты, сведение к минимуму болезней.

Разумное преобразование природы Земли с целью сделать её способной удовлетворить материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения.

Исключение войн из жизни общества.

Условия 1-6 можно считать выполненными - на Земле не осталось мест, недоступных для человека; появилась общепланетная сеть независимых коммуникаций - интернет, новые средства переработки информации и усиления интеллектуальных возможностей человека - компьютеры; объем горных пород, извлекаемых из глубин Земли всеми шахтами и карьерами мира почти в два раза превышает средний объем лав и пеплов, выносимых ежегодно всеми вулканами Земли; космос стал привычной ареной серьёзных проектов; возникают мощные международные общественные и политические структуры, способствующие объединению человечества. Человеку стали доступны совершенно новые источники энергии.

Выполнение условий 7-12 пока что далеко от осуществления . Именно в этих областях будут протекать основные процессы , связанные с формированием ноосферы - в первую очередь , появление “ человека действительно разумного ”, осознавшего своё место и назначение во Вселенной и умеющего быть повелителем , а не рабом своих животных потребностей ( к которым относятся не только питание и секс , но и властные амбиции , являющиеся наследием биологических стадных инстинктов , связанных с определением иерархического положения в стае ).

В отечественной мысли предтечами учения о ноосфере являются яркие и оригинальные мыслители, объединяемые сегодня как представители “русского космизма” . К ним относятся в первую очередь Николай Фёдорович Фёдоров (1828-1903), религиозные философы Владимир Сергеевич Соловьёв (1853-1900), Сергей Николаевич Булгаков (1871-1944), Павел Александрович Флоренский (1882-1937), Николай Александрович Бердяев (1874-1948), последователи Н. Ф. Фёдорова Александр Константинович Горский (1886-1943) и Николай Александрович Сетницкий (1888-1937), Валерьян Николаевич Муравьёв (1885-1932); естествоиспытатели Сергей Андреевич Подолинский (1850-1891), Николай Алексеевич Умов (1846-1915), Константин Эдуардович Циолковский (1858-1935), Александр Леонидович Чижевский (1897-1964), Николай Григорьевич Холодный (1882-1953), Василий Фёдорович Купревич (1897-1969). В этом же ряду, безусловно, стоит и имя В. И. Вернадского.

СТРОЕНИЕ НООСФЕРЫ

Ноосфера имеет трёхчастное строение:

Техносфера , объединяющая все средства переработки энергии и вещества, транспорт и коммуникации, созданные совокупной мыслью человечества.

Социосфера , включающая всю совокупность отношений между людьми и общественными структурами, вплоть до межгосударственных отношений.

Идеосфера - сфера идеальных продуктов деятельности человечества, таких, как искусство, наука, религия, мифологические формы сознания.

Размещено на Allbest.ru